O ESTUDO DA ELETRICIDADE NO ENSINO MÉDIO: UM RELATO SOBRE A CONSTRUÇÃO DE UM CURSO 100% EXPERIMENTAL

## O ESTUDO DA ELETRICIDADE NO ENSINO MÉDIO: UM RELATO SOBRE A CONSTRUÇÃO DE UM CURSO 100% EXPERIMENTAL

Carlos Maurício Lopes dos Reis 1 , Marcelo Azevedo Neves 2

1 SEEDUC-RJ/Colégio Estadual Clodomiro Vasconcelos, cmauriciolr@gmail.com 2 UFRRJ/PET-Física-UFRRJ e Departamento de Física, mneves@ufrrj.br

## Resumo

Este trabalho apresenta um relato de experiência da construção de um curso de eletricidade para o ensino médio de maneira completamente experimental usando materiais de baixo custo e a estrutura de uma escola pública estadual. O material foi desenvolvido e aplicado durante as aulas de física de turmas de segundo ano do novo ensino médio em substituição ao material teórico tradicional. Neste relato apresentaremos de maneira detalhada a estrutura do curso desenvolvido, os materiais empregados na aplicação e os principais desafios encontrados ao longo do processo, em especial com relação ao engajamento dos estudantes. A experiência revelou que o envolvimento ativo dos alunos nas atividades práticas resultou em maior motivação e interesse pela disciplina, sem prejuízo aparente no desempenho em avaliações teóricas. Ao fim apresentamos ainda uma análise crítica da experiência em sala de aula e dos resultados obtidos a partir da perspectiva do professor responsável pela disciplina com relação a aspectos como percepção de motivação dos alunos e perspectivas de aprimoramentos futuros como perspectivas para expandir o curso e realizar análises mais aprofundadas sobre seu impacto educacional.

Palavras-chave : Ensino de Eletricidade, Física Experimental, Arduino

## Introdução

O acelerado avanço das tecnologias da informação nos impõe a cada dia novos desafios e oportunidades em cada aspecto do cotidiano. O ensino da física e sua percepção pelos estudantes da educação básica não podem se fazer diferentes. A física como ciência de fortes bases experimentais não pode mais ser vista como um conjunto de conhecimentos puramente teóricos e desconexos com a realidade e cuja única finalidade se resume na resolução extensiva de exercícios para a preparação para o ENEM e os vestibulares.

Tantas décadas após as conferências de Feynman sobre Ensino de Física no Brasil como mostradas em (MOREIRA, I. C. 2018) não podemos mais nos contentar em continuar a não ensinar Física de fato.

Neste sentido relatamos neste trabalho uma experiência da construção de um curso de eletricidade para ser aplicado nas aulas de física do novo ensino médio em uma escola pública da rede estadual do Rio de Janeiro.

Dividimos o relato em seis partes: O Contexto , na qual esclarecemos o contexto local da escola na qual o curso foi desenvolvido e aplicado; As Bases , na qual assentamos as ideias gerais nas quais nos concentramos para o planejamento do trabalho; O Curso , na qual expomos o curso planejado e as adaptações que tiveram que ser feitas durante as aplicações; Os Kits , na qual listamos os itens presentes nos kits preparados para este curso; A Experiência , na qual fazemos uma análise crítica dos resultados obtidos através da aplicação do curso nas turmas;

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

- e Perspectivas Futuras , na qual traçamos um panorama geral sobre novos horizontes a serem expandidos.

## O Contexto

O curso ao qual se refere este artigo foi planejado e aplicado em uma escola pública de rede estadual do, situada na região metropolitana. O público de estudantes da escola é proveniente predominantemente de moradores da própria cidade, que possui resultados no IDEB abaixo da média nacional e estadual tanto nos anos finais do ensino fundamental quanto no ensino médio (QEDU, 2024).

Neste contexto o ensino tradicional da Física, e no nosso caso especial da eletricidade, baseado apenas em memorização de equações e resolução de exercícios, acaba por se tornar mais uma ferramenta de desestímulo e desmotivação aos estudantes, que possuem no geral uma base no estudo de matemática e ciências da natureza muito frágil e insuficiente.

Soma-se a este contexto a implementação recente do Novo Ensino Médio que, em nossa rede, reduziu a carga horária da disciplina em um terço, fazendo com que ela conte com dois tempos semanais de aula e apenas no primeiro e no segundo anos e tenha sido excluída da grade curricular do terceiro ano.

Torna-se desafiadora neste sentido a tarefa de ao mesmo tempo despertar o interesse dos alunos pela ciência e prepará-los devidamente para as provas de ingresso ao ensino superior.

Alguns fatos nos permitiram os investimentos e a oportunidade necessários para a montagem dos kits de experimentos em quantidade o suficiente para o desenvolvimento adequado do trabalho: Na escola em pauta houve a implantação de fato de 'Salas Maker' bem equipadas e uma gestão participativa dos recursos da escola por parte de sua direção.

A instalação da Sala Maker foi se deu com recursos públicos ano fim do ano de 2022 e consistiu na montagem de uma sala equipada especialmente para atividades práticas. Na escola na qual este curso foi desenvolvido a Sala Maker conta com itens como: Impressora 3D; Impressora Braille; Impressora Jato de Tinta convencional; Chromebooks ; SmartTV ; Computador Gamer ; Câmera Filmadora; entre outros.

Por fim, um elemento importante foi a disponibilidade para uso na escola em pauta de diversas Placas Microcontroladas Arduino Uno R3 (EVANS, 2013), que contém um microcontrolador 8 bits ATMEL ATMEGA328, operando em 16 MHz, que dentre seus com 28 pinos, 6 são para transmissão de sinais analógicos com tensões elétricas entre 0V e 5V, com resolução de 10 bits, 6 pinos usam 3 protocolos de comunicação (UART, I2C, SPI) e 2 pinos usam apenas a comunicação serial (UART). A programação de uma placa Arduino UNO R3 (doravante referenciada neste trabalho apenas como 'Arduino') usualmente requer uma linguagem de baixo nível derivada de C++.

## As Bases

Atividades práticas em sala de aula podem ser de dois tipos: demonstrações feitas pelo professor ou experimentos realizados pelos próprios alunos.

Demonstrações podem ser especialmente interessantes, pois permitem que sejam feitos experimentos mais complexos (afinal serão executados por um

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profissional capacitado) e até mesmo mais caso sejam onerosos financeiramente (uma vez que não é necessária a montagem de kits em quantidades o suficiente para o acesso dos estudantes). Contudo neste projeto optamos por uma abordagem mais participativa por parte dos alunos.

Inicialmente a proposta era utilizar o Arduino em atividades experimentais diversas como apontam diferentes estudos que, na última década e meia, vem gradativamente descrevendo o potencial do uso de unidades microcontroladas como ferramentas para o ensino de física, como compilado e analisado em (MOREIRA, M. M. P. C. 2018), (MONTEIRO, 2022), e mesmo como fator motivador para despertar o interesse dos estudantes como apontado em (CHITOLINA, 2024).

Contudo, o uso de ferramentas como o Arduino em atividades realizadas diretamente pelos estudantes do Ensino Médio em laboratório deve ser observado com ao menos uma ressalva importante: Ao compreendermos os alunos como sujeitos ativos no processo de ensino-aprendizagem, não podemos considerar o roteiro de uma atividade experimental como sendo simplesmente um conjunto de instruções que deverão ser seguidas de maneira irrefletida (MOREIRA, M. A.1983). Caso isto seja feito corremos o risco de não estamos ensinando física, mas apenas fazendo o que pode ser interpretado pelos discentes como 'um truque bonito'.

Assim, para que possamos usar unidades microcontroladas para facilitar a aquisição de dados e realizar experimentos mais complexos é fundamental que o estudante seja capaz de entender o circuito montado e seu funcionamento. Além disso, preparar o aluno para este estudo se mostra uma ferramenta interessante e instigante para substituir o ensino tradicional da introdução à eletrodinâmica, trabalhando conceitos como as definições de tensão, resistência e corrente elétricas; a lei de Ohm; associação de elementos em série e paralelo; entre outros assuntos.

- O simples entendimento de como transpor um diagrama de circuito para sua montagem em uma protoboard (RAGAN, 2018), por mais simples que possa parecer a um professor de Física, fornece uma ferramenta muito mais eficiente de entendimento sobre como funcionam as associações dos seus elementos do que os exemplos tradicionais puramente teóricos.

Desta maneira optamos por basear a introdução da aplicação do Arduíno nas atividades experimentais da escola na seguinte estrutura:

- 1. Demonstração do funcionamento do Arduino para aquisição de dados (Atividade motivadora realizada no início do ano com as turmas do itinerário de Ciências da Natureza e suas Tecnologias);
- 2. Série de aulas experimentais sobre eletrodinâmica (das quais se trata o presente relato de experiência e que foram desenvolvidas durante as aulas de Física);
- 3. Projeto envolvendo coleta de dados com uso do Arduino (desenvolvido nas aulas de Energia e Suas Transformações, disciplina do itinerário de Ciências da Natureza e duas Tecnologias, e em andamento durante a confecção deste relato de experiência); e
- 4. Apresentação dos projetos desenvolvidos pelos alunos na Semana Nacional de Ciência e Tecnologia (Em evento local na escola e ainda futuro durante a confecção deste relato de experiência).

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## O Curso

Idealmente, um bimestre letivo em uma escola regular é composto por dez semanas. Contudo, no planejamento de um curso o ideal é prever apenas no máximo seis ou sete aulas (no caso de uma aula semanal da disciplina), uma vez que parte do tempo será ocupado pelas avaliações e recuperações de notas, além de imprevistos e feriados.

Sendo assim, o curso foi planejado para ser aplicado com a seguinte estrutura de aulas:

-  Aula 1: Introdução teórica à Eletrodinâmica com a construção simplificada dos conceitos de Tensão, Corrente e Resistência Elétricas. Atividade Experimental: Uso do multímetro para medição da resistência elétrica de um conjunto de resistores e comparação do valor medido com o valor nominal dado pelo código de cores. Nesta montagem apresentamos o multímetro e seu funcionamento aos estudantes ao mesmo passo em que abordamos a importante noção de comparação entre valores previstos e medidos em um experimento.
-  Aulas 2 e 3: Determinação da Curva Característica de um Resistor Ôhmico e verificação da Lei de Ohm . Pela complexidade da montagem a ser feita, esta atividade foi dividida em duas aulas, a primeira para a coleta dos dados de tensão e corrente e a segunda para a análise e interpretação dos dados. Na aula 2 os alunos utilizaram um circuito composto por um resistor ôhmico, uma fonte de tensão regulável e um multímetro para medir a tensão e a correspondente corrente elétrica no resistor nas diferentes regulagens possíveis da fonte utilizada. Na aula 3 os alunos utilizaram o Google Planilhas, como ilustrado na Figura 01, para organizar a tabela dos dados medidos e verificar o valor da resistência do resistor utilizado através do método de regressão linear, ao qual foram apresentados nesta aula.
-  Aula 4: Associações de Resistores em Série e Paralelo . Nesta aula os alunos montaram diversas associações de resistores, comparando o valor teórico previsto para as suas resistências elétricas equivalentes com o valor efetivamente medido com uso do multímetro.
-  Aula 5: Divisor de Tensão . Nesta aula os alunos fizeram o dimensionamento do resistor a ser associado em série a um LED para o seu acionamento correto dadas suas especificações técnicas e a tensão da fonte a ser utilizada.
-  Aula 6: Associação de LEDs em Série e em Paralelo . Nesta montagem os alunos utilizaram os conceitos desenvolvidos nas aulas anteriores para acionar corretamente LEDs associados entre si em série e em paralelo.
-  Aula 7 : Resolução de questões do ENEM e preparação para a prova teórica . Nesta aula fizemos uma revisão teórica dos assuntos abordados no bimestre através da resolução de uma lista de exercícios com questões do ENEM.
- O processo avaliativo dos alunos foi feito segundo a Portaria Estadual (SEEDUC, 2013) que estabelece as normas para a Avaliação do Desempenho Escolar no âmbito da rede. Com os seguintes destaques importantes: Deverão ser oferecidos ao estudante sempre ao menos três instrumentos de avaliação, ao fim dos quais ele deverá chegar a uma nota de zero a dez pontos, associada a uma recuperação de estudos realizada no próprio bimestre. Ao final do ano letivo para ser aprovado o aluno deve atingir um total de 20,0 pontos (média 5,0 por bimestre) e 75% de frequência do cômputo global das aulas.

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Figura 01: Um momento de análise de dados pelos alunos usando a planilha gratuita da Google em um Chromebook da Sala Maker.

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As avaliações feitas foram:

-  Avaliação 1 Participação efetiva nas aulas práticas (4,0 pontos);
-  Avaliação 2 Comportamento e Frequência geral (2,0 pontos); e
-  Avaliação 3 Prova Bimestral Teórica (4,0 pontos).

Como recuperação dos estudos foi oferecida aos estudantes uma prova prática onde deveriam, com auxílio do professor e com acesso livre às suas anotações no caderno de laboratório, executar uma das montagens experimentais feitas no bimestre definida de acordo com sorteio.

## Os Kits

Foram montados para os alunos kits contendo cada um os seguintes itens:

- 1. Protoboard;
- 2. Fios Jumper diversos com terminais DuPont;
- 3. Resistores ôhmicos variados;
- 4. LEDs de cores variadas;
- 5. 1 Fonte de tensão regulável;
- 6. 1 Multímetro digital.

Foram adquiridos materiais de modo a montar oito kits, e devido ao tamanho médio das turmas os alunos fariam os trabalhos em grupos de no máximo cinco pessoas.

## A Experiência

Em termos gerais nosso parecer é que trabalhar o curso de eletrodinâmica de forma totalmente experimental foi uma experiência bastante desafiadora, mas gratificante. Claramente os alunos se demonstraram mais motivados durante as atividades do que nas aulas normais (teóricas expositivas), tendo sido observadas nas aulas inclusive uma frequência acima da média para as turmas nas quais o curso foi realizado, algo que não foi quantificado de maneira precisa pois não estava no escopo inicial do trabalho, mas que pode ser um objeto de estudo no futuro.

As aulas não foram realizadas na sala de aula da turma, mas sim na Sala Maker da escola, o que por si só observamos que já se mostrou um atrativo para os alunos, uma vez que eles se viram em rotina não só de estudar em um laboratório

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fazendo atividades práticas, mas como de conviver em uma sala com equipamentos que lhes despertavam interesse e curiosidade, como impressora 3D, cortadora e gravadora a laser, computador voltado para a edição de vídeos e programação de jogos eletrônicos, SmartTV de 65'' e em especial os Chromebooks através dos quais podiam acessar a internet e fazer pesquisas durante as aulas. Mesmo não usando a maioria desses equipamentos (os Chromebooks foram os utilizados) o fato de conviver na sala e saber que poderiam ser usados em projetos no futuro percebemos que este ambiente foi objeto de curiosidade e muitas conversas por parte dos alunos.

Observamos que a grande defasagem dos alunos em sua base desenvolvida nos anos anteriores de escolaridade também se fez bastante presente durante as práticas, tanto quanto se faria durante aulas tradicionais, com o diferencial de que mesmo às vezes se demonstrando claramente perdidos sobre o que fazer e como fazer, a motivação dos estudantes em persistir era claramente muito maior do que em aulas teóricas em sala onde simplesmente aplicariam equações para resolver exercícios.

Em especial era notória a satisfação de muitos dos alunos ao completar com êxito uma tarefa. Se tornou comum, especialmente nas aulas em que a tarefa consistia em dimensionar o resistor para acender corretamente LEDs, que os alunos tirassem fotografias de suas montagens para compartilhar em suas redes sociais, como a foto que compõem a Figura 02. Isto talvez tenha sido o ponto alto para determinar o sucesso do curso em despertar o interesse dos discentes para o assunto: seu interesse em disponibilizar em suas redes sociais estas suas atividades escolares.

Figura 02: Uma foto representativa de publicação espontânea de um(a) discente em sua rede social (Instagram).

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Observamos ainda que o resultado dos alunos na prova com conteúdo teórico não foi, na percepção do professor da disciplina, inferior ao que se observa

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normalmente quando o curso é abordado de maneira teórica e tradicional. Cabe neste ponto ressaltar que não estava nos objetivos iniciais do projeto uma abordagem quantitativa metodologicamente confiável, podendo isto ser feito em aplicações futuras mais estruturadas do curso.

Ao fim do processo do curso os alunos foram apresentados ao uso do Arduino durante projeto desenvolvido na disciplina Energia e suas Transformações (ministrada pelo mesmo professor). Em sua maioria, demonstraram satisfatoriamente o conhecimento necessário para montar os circuitos necessários, podendo concentrar seus esforços em compreender o funcionamento da placa e sua programação, o que era o objetivo inicial do curso.

Desta maneira podemos concluir que os objetivos do curso de apresentar a física como uma ciência experimental de modo a despertar o interesse e a motivação dos estudantes e de preparar os mesmos para usar de maneira mais autônoma ferramentas como o Arduino e outras placas de desenvolvimento que eram almejados ao início do processo foram atingidos com sucesso.

## Perspectivas Futuras

Dados os resultados observados a partir da experiência de aplicação do curso nos direcionamos para alguns horizontes possíveis, que apresentamos a seguir.

- O curso foi aplicado em turmas do Novo Ensino Médio no Itinerário de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, o que em princípio pode demonstrar alunos mais propensos a demonstrar interesse pela física e por atividades experimentais. Resta-nos aplicar o curso para os demais itinerários oferecidos pela escola, respeitadas as devidas adaptações.
- O curso tinha um escopo muito bem delimitado a um único bimestre, sendo necessário e desejável ampliá-lo em especial para atender aos demais conceitos de eletricidade, como potência e energia e instalações elétricas residenciais.

Deverá ser feita em uma aplicação do curso no futuro uma análise metodologicamente mais rigorosa do desempenho dos alunos em prova com questões de padrão semelhantes ao ENEM em comparação com alunos apresentados ao assunto com aulas tradicionais, de maneira a avaliar o impacto de projetos do tipo na preparação dos jovens para o ingresso no ensino superior.

Poderá ser feita ainda no futuro uma análise quantitativa da frequência dos alunos nas aulas práticas de modo a verificar se elas colaboram o suficiente para a motivação dos alunos de maneira a impactar a infrequência e a evasão escolar.

## Agradecimentos

PET-Física-UFRRJ agradece ao Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação (FNDE) pelo financiamento das Bolsas e do Custeio e também agradecemos a UFRRJ pela infraestrutura cedida.

## Referências

(CHITOLINA, 2024) CHITOLINA, D.; DOS SANTOS, P. J. S. Uma revisão de escopo sobre a relação entre a motivação estudantil e o uso do Arduino no ensino da Física . In: ENCONTRO DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA, 20., 2024. [online]. Disponível em https://sec.sbfisica.org.br/eventos/epef/xx/programa/se archKeyWord.asp&gt;. Acesso em: 02 set 2024.

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(EVANS, 2013) EVANS, M.; NOBLE, J.; HOCHEMBAUM, J. Arduino em ação . São Paulo: Novatec, 2013.

(MONTEIRO, 2023) MONTEIRO, J. A. et al. Arduino no ensino de física: uma revisão sistemática de literatura de 2011 a 2021 . Amazôn. (Univ. Fed. Pará, Online), v. 18, n. 40, ago. 2022. Disponível em: &lt;https://periodicos.ufpa.br/index.php/revistaamazonia/article/view/12175&gt;. Acesso em: 21 out. 2023.

(MOREIRA, M. A. 1983) MOREIRA, M. A.; LEVANDOWSKI, C. E. Diferentes abordagens ao ensino de laboratório . Porto Alegre: Editora da Universidade UFRGS, 1983.

(MOREIRA, I. C. 2018) MOREIRA, I. C. Feynman e suas conferências sobre o ensino de Física no Brasil . Rev. Bras. Ens. Fís., vol. 40, nº 4, e4203, 2018.

(MOREIRA, M. M. P. C. 2018) MOREIRA, M. M. P. C. et al . Contribuições do Arduino no ensino de Física: uma revisão sistemática de publicações na área de ensino. Cad. Bras. Ensino Fís., v. 35, n. 3, p. 721-745, dez. 2018.

(QEDU, 2024) QEDU. Itaguaí: Ideb | QEdu. Disponível em: &lt;https://qedu.org.br/municipio/3302007-itaguai/ideb&gt;. Acesso em: 20 jul 2024.

(RAGAN, 2018) RAGAN, S.; CULKIN, J. Como usar uma protoboard! São Paulo: Novatec, 2018.

(SEEDUC, 2013) SEEDUC. PORTARIA SEEDUC/SUGEN Nº 419 DE 27 DE SET EMBRO DE 2013. Disponível em: &lt; https://normaseducacionaisrj.blogspot.com/20 13/10/portaria-seeduc-4192013-avaliacao-do.html&gt;. Acesso em: 20 jul 2024.

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